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电沉积铜薄膜中织构与内应力的研究

洪波  
【摘要】: 铜电沉积技术由于其经济性、选择性及优良的深镀能力,在机械制造及微电子工业中得到广泛应用。特别是随着超大规模集成电路中铜互连技术的发展,对铜薄膜组织结构的研究日益受到关注。其中,电沉积铜薄膜的织构及内应力状态对薄膜的物理、化学性能及力学性能有着重要的影响,已成为目前研究的热点。 本文利用X射线衍射方法,侧重研究了不同电沉积工艺条件下铜薄膜中的织构及内应力。研究发现,在硫酸盐铜镀液体系中,电流密度较低(2A/dm~2)时电沉积铜薄膜表现为(220)丝织构特征,电流密度较高(16A/dm~2)时铜薄膜表现为(111)丝织构特征,随电流密度的升高铜薄膜由(220)丝织构向(111)丝织构转变。研究了薄膜厚度对电沉积铜薄膜织构的影响,发现薄膜织构程度随膜厚的增加而增加。研究了稀土铈盐、聚乙二醇(PEG)和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)对铜薄膜织构的影响,结果表明,三种添加剂都不同程度的降低了薄膜的织构程度。 通过研究铜薄膜电结晶初期生长过程,探讨了铜薄膜的织构形成机理。研究过程中,为减小基体材料对薄膜组织结构的影响,本文选择惰性Ni-P非晶镀层作为基体材料。恒电位阶跃法研究表明,在硫酸盐铜镀液体系中,铜电结晶初期按三维瞬时成核机制形核,且随着过电位的增大,铜薄膜更倾向于三维成核机制形核。添加少量稀土铈盐后,由于稀土阳离子的特性吸附,使得电极界面分散层电位升高,导致铜电沉积阴极反应过电位增大,薄膜形核能降低。添加少量聚乙二醇,由于其表面活性在金属电极表面形成紧密的吸附层,产生附加能垒,对铜电结晶成核有强烈的阻化作用,铜电结晶机理由连续成核向瞬时成核转变。基于以上结果,并结合经典择优取向理论,对本文研究体系中电沉积铜薄膜不同织构的形成机理进行了探讨。 X射线衍射技术是目前测定材料内应力的主要手段,但薄膜中的织构会造成2θ~sin~2ψ的非线性,导致不合理的应力测定结果。电沉积铜薄膜主要表现为显著的丝织构特征,本文研究了不同取向丝织构对电沉积铜薄膜弹性常数及X射线弹性常数的影响,结果表明,当铜薄膜存在(hkl)丝织构时,其各弹性矩阵分量的计算结果与各向同性材料相差较大,丝织构薄膜的弹性矩阵对称性降低,出现类似六方晶系的弹性矩阵形式。分别计算了具有(100)、(110)和(111)丝织构铜薄膜的弹性常数与X射线弹性常数以及二者随sin2ψ的非线性规律。提出了利用加权多晶各向同性和具有理想丝织构铜薄膜X射线弹性常数的方法,优化了铜薄膜X射线应力测定方法,提高了应力测定结果的可靠性。通过原位拉伸X射线应力测定,研究了电沉积铜薄膜的力学行为,获得了薄膜的真实力学性能。 利用优化X射线应力测定方法研究了电沉积铜薄膜中的内应力。结果表明,电沉积铜薄膜处于拉应力状态,随电流密度的升高薄膜内应力增加。稀土铈盐有降低铜薄膜内应力作用,聚乙二醇和乙二胺四乙酸二钠不同程度的引起铜薄膜内应力的增大。薄膜内应力与薄膜厚度的关系为,先随膜厚的增加而降低,当薄膜厚度较厚时随膜厚的增加而增大。为降低电沉积铜薄膜中的内应力水平,探索了两种内应力调整途径,结果表明,利用超声波电沉积技术和后序低温处理工艺均可有效降低铜薄膜中的拉应力。


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